[논문 리뷰] Signatures of bath-induced quantum avalanches in a many-body--localized system

Julian Léonard, Sooshin Kim외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 30.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 가열 가능한 열역학적 버스와 결합된 다체 국소화(MBL) 시스템에서 실험적으로 버스 유도 양자 폭풍을 입증한다. 냉각 원자 양자 시뮬레이터를 통해 입자 수준에서의 측정을 수행한 결과, MBL 영역으로의 가속화된 입자 이동, 사이트별 열역학적 평형, 비국소적인 다체 상관관계—비섭동 다체 역학에 의해 유도되는 양자 폭풍의 핵심 징후를 관찰하였다.

ABSTRACT

Strongly correlated systems can exhibit surprising phenomena when brought in a state far from equilibrium. A spectacular example are quantum avalanches, that have been predicted to run through a many-body--localized system and delocalize it. Quantum avalanches occur when the system is locally coupled to a small thermal inclusion that acts as a bath. Here we realize an interface between a many-body--localized system and a thermal inclusion of variable size, and study its dynamics. We find evidence for accelerated transport into the localized region, signature of a quantum avalanche. By measuring the site-resolved entropy we monitor how the avalanche travels through the localized system and thermalizes it site by site. Furthermore, we isolate the bath-induced dynamics by evaluating multipoint correlations between the bath and the system. Our results have fundamental implications on the robustness of many-body--localized systems and their critical behavior.

연구 동기 및 목표

• 변동 가능한 크기의 열역학적 버스와 결합된 다체 국소화 시스템의 동역학을 조사하기 위해.
• 버스 결합에 의해 유도되는 비섭동적, 국소화 해제 과정인 양자 폭풍의 발생을 탐색하기 위해.
• 국소화 영역으로의 사이트 해상도 열역학적 평형 및 이동 동역학을 특성화하기 위해.
• 폭풍 전파를 이끄는 비국소적 얽힘을 증거로 하는 버스 유도 다체 상관관계를 분리하기 위해.
• 양자 폭풍이 시작되고 가속화되고 MBL 시스템을 열역학적으로 평형화하는 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 사이트 해상도의 불순도 위치를 갖는 2차원 광학 격자에서 1차원 모트 절연체를 실현하고, 조절 가능한 청결한(열역학적) 영역을 제공하였다.
• 전체 시스템을 빠르게 터널링을 활성화함으로써 양자 급격변화를 수행하여 비평형 동역학을 유도하였다.
• 형광 영상 촬영을 통해 사이트 해상도 원자 수 분포를 측정하고, 입자 당 국소 엔트로피를 추출하였다.
• 밀도 상관관계 감쇠 길이 ξd를 통해 입자 이동을 정량화하였으며, 시간 및 버스 크기 의존성을 추적하였다.
• 세점 연결 상관관계 ⟨n_i n_j n_k⟩_c 를 측정하여 열역학적 영역과 국소화된 사이트 사이의 비국소적 얽힘을 탐지하였다.
• 자유 매개변수 없이 정확한 수치 시뮬레이션과 실험 데이터를 비교하여 폭풍 징후의 유효성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열역학적 버스의 크기가 MBL 시스템에서의 양자 폭풍의 발생과 전파에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 국소화 영역에서의 가속화된 입자 이동과 사이트별 열역학적 평형의 징후는 무엇인가?
• RQ3 페르미의 황금률을 초월한 비국소적 다체 상관관계—다른 원인에 의해 유도되는가?—폭풍 동역학을 얼마나 크게 이끈다?
• RQ4 국소화 길이와 버스 유도 완화율은 시스템 크기와 불순도 강도에 따라 어떻게 척도가 변하는가?
• RQ5 양자 폭풍이 최대가 되는 불순도 강도는 얼마이며, 이는 MBL 전이의 임계점과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 밀도 상관관계 감쇠 길이 ξd 가 진화 시간에 따라 증가하였으며, 로그 성장에서 가속 성장으로의 전이를 보여 폭풍 동역학을 나타내었다.
• L_clean = 6 인 경우, 100τ 이후 ξd 가 고립된 MBL 시스템의 국소화 길이를 초과하여 폭풍 발생을 확인하였다.
• 사이트 해상도 엔트로피 측정에서 불순도가 있는 사이트에서 열역학적 평형이 지연되었으며, 경계에서의 거리가 증가할수록 지연 시간이 기하급수적으로 증가하였다.
• 세점 연결 상관관계 ⟨n_i n_j n_dis⟩_c 는 청결한 영역 전역에서 균일하였으며, MBL 단계로의 집단적 국소화 해제를 나타내었다.
• ⟨n_i n_j n_clean⟩_c 는 경계 근처의 불순도가 있는 사이트에서 최대에 도달했고, 먼 사이트에서는 사라졌다. 이는 국소화된 폭풍 전파를 시사하였다.
• 중간 정도의 불순도 강도에서 최대 다체 상관관계가 관측되었으며, 이는 MBL 전이의 추정 임계점 근처였다.